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BRENO PINHEIRO SILVA
PROJETO E ANÁLISE DE UM SISTEMA HÍBRIDO
PARA VEÍCULOS DE CARGA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
2018
BRENO PINHEIRO SILVA
PROJETO E ANÁLISE DE UM SISTEMA HÍBRIDO PARA VEÍCULOS DE
CARGA
Monografia apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Zuquete Guarato
UBERLÂNDIA – MG
2018
BRENO PINHEIRO SILVA
PROJETO E ANÁLISE DE UM SISTEMA HÍBRIDO PARA VEÍCULOS DE CARGA
Monografia apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.
Banca Examinadora:
________________________________________
Prof. Dr. Alexandre Zuquete Guarato
________________________________________
Prof. Dr. José Antônio Ferreira Borges
____________________________________________
Prof. Ms. Thales Trevilato
Uberlândia, 19 de junho de 2018
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, por toda a paciência durante o período de realização deste trabalho.
Aos meus pais, irmão e namorada, pelo amor, incentivo e apoio durante minha graduação.
E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formação, o meu muito
obrigado.
Resumo
A logística rodoviária é o setor de maior importância no cenário do transporte nacional.
Não obstante, atualmente representa um dos entraves para o desenvolvimento do país, dado
seus altos custos - inerentes a esse modal rodoviário – e à má infraestrutura interna. Diante desse
contexto, o presente trabalho trata do estudo e desenvolvimento de um sistema híbrido para ser
instalado em caminhões leves e pesados cuja função é regenerar a energia despendida na
frenagem e, assim, trazer mais eficiência ao processo logístico. A análise parte da energia
dispendida na frenagem do veículo de carga e avalia quais os requisitos que o sistema mecânico
elétrico deve alcançar para apresentar uma capacidade realista de regeneração de energia. O
estudo é elaborado através de um programa computacional que estima as forças e energias
envolvidas durante o movimento dos modelos de caminhão propostos. Após a obtenção de
resultados poder-se-á concluir que o sistema não é viável devido a uma série fatores (como o
alto custo de aquisição dos equipamentos elétricos, a baixa captação de energia e
consequentemente baixo retorno financeiro, entre outros). Como será visto, o sistema proposto
mostrou ter viabilidade técnica, ausente, porém, de viabilidade financeira. Cumpre destacar que
os sistemas híbridos e elétricos têm muitos benefícios e sem dúvidas serão os mais empregados
nos veículos em um futuro próximo. Para isso, exige-se maior desenvolvimento técnico industrial,
o que possibilita o barateamento do custo das máquinas elétricas, o ponto de, futuramente, o
sistema híbrido se tornar viável para todos os operadores de logística nacionais.
Palvras-chave: Híbrido Elétrico, Caminhão, Logística Rodoviária, Eficiência Energética.
Abstract
The road logistics it’s a vital sector for transportation in Brazil. Although currently this
transportation mode represents one of the bottlenecks for the country’s development, giving the
high costs – intrinsic of this transportation mode – and the poor infrastructure. In light of this
concept, the present work cover the study and development of a hybrid system to be installed in
light and heavy-duty trucks whose function is to regenerate the waste energy of braking, and so
increase the energy efficiency. The review first sets out the wasted energy in braking and then
evaluate which requirements the mechanical and electrical system must achieve to ensure a
realistic capacity of restoring energy. The study is drafted through a computational program which
estimate’s the forces and energies during the movement of a truck. After the test results it can be
concluded that the system is not feasible due to a series of factors (like the high acquisition cost
for electrical equipment, low recharge rate and as a consequence, low financial return). As will be
later verified, the proposed system has demonstrated technical feasibility, but low financial
viability. It’s important to highlight that the hybrid systems and electrical has many benefits and
without doubts they will be the most popular system in automotive applications. In this regard,
require more technical development that enables lower costs of electrical machines, witch in the
future, they will be available to all logistics players.
Key-words: Eletric Hybrid, Heavy-Duty Truck, Road Logistics, Energy Efficiency
7
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 9
1.1 Objetivo ........................................................................................................................ 9
1.2 Transporte Rodoviário no Brasil .................................................................................... 9
1.3 Questões Climáticas ................................................................................................... 13
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 14
2.1 Veículos de transporte Rodoviário .............................................................................. 14
2.1.1 Classificação ....................................................................................................... 14
2.1.2 Sistema de tração MCI ........................................................................................ 17
2.1.3 Sistema de Freio de Caminhões .......................................................................... 18
2.2 Veículos Elétricos e Híbridos ...................................................................................... 18
2.2.1 Histórico .............................................................................................................. 19
2.2.2 Mercado Atual ..................................................................................................... 20
2.2.3 V. Híbridos Elétricos ............................................................................................ 23
2.3 Sistema de tração elétrico .......................................................................................... 27
2.3.1 Motor Elétrico ...................................................................................................... 27
2.3.2 Dispositivo para armazenamento de energia ....................................................... 27
3 DESENVOLVIMENTO ...................................................................................................... 30
3.1 METODOLOGIA ......................................................................................................... 30
3.2 PROJETO CONCEITUAL ........................................................................................... 31
3.2.1 LAYOUT DO SISTEMA ....................................................................................... 31
3.2.2 Modelos ............................................................................................................... 33
3.2.3 Controle ............................................................................................................... 34
3.3 SIMULAÇÃO .............................................................................................................. 35
3.3.1 Drive Cycles (Ciclos de Direção) ......................................................................... 35
8
3.3.2 Sistema de coordenadas ..................................................................................... 39
3.3.3 Descrição geral do movimento ............................................................................ 40
3.3.4 Resistências ao movimento ................................................................................. 41
3.3.5 Distribuição de Carga nos Eixos .......................................................................... 44
3.3.6 Potência .............................................................................................................. 44
3.3.7 Energia Mecânica ................................................................................................ 45
3.3.8 Rendimento componentes do sistema ................................................................. 45
3.3.9 Implementação do sistema de controle ................................................................ 45
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................................... 46
4.1 Simulação inicial ......................................................................................................... 46
4.1.1 Resultados iniciais ............................................................................................... 46
4.1.2 Discussão Inicial .................................................................................................. 48
4.2 Modelo em CAD ......................................................................................................... 50
4.2.1 Modelo 1 .............................................................................................................. 51
4.2.2 Modelo 2 .............................................................................................................. 53
4.3 Simulação ................................................................................................................... 55
4.3.1 Resultados e Discussão ...................................................................................... 55
4.3.2 Estimativa de Retorno ......................................................................................... 59
4.3.3 Estimativa de Custo ............................................................................................. 61
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 63
5.1 Trabalhos Futuros....................................................................................................... 64
6 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................. 65
A. ANEXO A .......................................................................................................................... 68
B. ANEXO B .......................................................................................................................... 78
C. ANEXO C .......................................................................................................................... 80
9
CAPÍTULO I
1 INTRODUÇÃO
1.1 Objetivo
O objetivo desse trabalho é desenvolver e avaliar sistemas híbridos elétricos para serem
instalados em veículos de transporte. Esses sistemas serão projetados de forma a se adequarem
ao veículo existente, transformando-o em um sistema híbrido elétrico. Assim é possível aos
caminhões recuperarem parte da energia despendida com frenagens e utiliza-la para, por
exemplo, tracionar o veículo em subidas ou energizar os equipamentos auxiliares acoplados ao
motor, aumentando sua eficiência.
1.2 Transporte Rodoviário no Brasil
O transporte logístico permite o movimento da cadeia de matérias primas e bens de um
país. É nele que há o movimento dos insumos para os produtores e o transporte dos bens finais
para os consumidores e por isso é vital para o desenvolvimento e a integração nacional (MTPA,
2016).
Para mais, o transporte logístico tem impactos tanto na esfera econômica quanto na
ambiental. Dentro do Brasil, o mercado rodoviário tem importância ímpar já que, de acordo com
CNT (2018) cerca de 62,8% de toda a carga é transportada pelo modal rodoviário, enquanto
10
21,0% pelo modal ferroviário e 12,6% pelo modal aquaviário. Os dados podem ser conferidos na
Figura 1.1.
Figura 1.1 - Matriz de transporte brasileira
Fonte: ILOS. Disponível em: <http://www.ilos.com.br/web/transporte-de-cargas-e-a-encruzilhada-do-brasil-para-o-futuro/>. Acesso em: 10 mai. 2018.
Na esfera econômica, para que haja crescimento é necessário um aumento nas atividades
de transporte de carga e o aumento da infraestrutura de logística para distribuição; isso concebe
uma relação de interdependência entre a economia e a logística. Em 2016 houve o licenciamento
de 311.879 novos veículos de transporte leves e 50.559 novos caminhões, sendo que de 2002
há 2016 houve um aumento de cerca de 91% na frota de veículos para o transporte de cargas
rodoviário. Atualmente a frota de veículos no país é de 1.664.866 veículos para transporte de
cargas e as distribuições entre os tipos de veículos é apresentada na Tabela 1.1.
Diante desse panorama, de acordo com EPE (2017), o setor de transportes, no Brasil,
consome 32,4% de toda a energia do país e o modal rodoviário corresponde a 93,5% desse valor,
sendo então, responsável pelo consumo de 30,3% do total da energia nacional. Vale ressaltar
que na classificação da agência, todos os veículos automotores entram na categoria transporte.
62,8%
21,0%
12,6%
3,6%
Rodoviário Ferroviário Aquaviário Dutoviário
11
Tabela 1.1 - Número de veículos segundo categoria
Tipo de Veículo Autônomos Empresas Cooperativas Total
Caminhão leve
(3,5t a 7,99t)
58.853 48.499 1.050 109.402
Caminhão Simples
(6t a 29t)
212.940 219.536 3.741 436.217
Caminhão Trator 117.657 297.3330 7.789 422.779
Caminha Trator
especial
519 1.792 57 2.368
Caminhonete
/ furgão
(1,5t a 3,49t)
38.200 26.403 340 64.943
Reboque 7.620 29.203 273 37.096
Semirreboque 103.774 453.413 9.344 566.531
Semirreboque com
5ª Roda / Bitrem
389 1.320 81 1.790
Semirreboque Especial 120 1.247 12 1.379
Utilitário Leve
(0,5t a 1,49t)
12.130 8.237 171 20.538
Veículo Operacional
de Apoio
441 1.375 7 1.823
Total 553.643 1.088.358 22.865 1.664.866
Fonte: MPTA, 2016.
Para melhor ilustrar o consumo de energia pelo setor de logística rodoviária, o mesmo
relatório apresenta os dados de consumo por setor divididos pelo combustível. No modal
rodoviário cerca de 43,9% do consumo de energia é através do óleo diesel, assim como a grande
maioria dos veículos de transporte consome óleo diesel e os veículos de passeio gasolina, faz-
se uma aproximação e exclui-se do dado os veículos de passeio. Portanto, cerca de 40% do
consumo de energia do setor de transporte é dado pela logística rodoviária.
Dada essa dimensão, o custo logístico no país é na ordem de 401 bilhões de reais, o que
corresponde a 6,8% do PIB brasileiro. Segundo o ILOS (2017), caso a infraestrutura do país fosse
12
alterada para proporcionar uma distribuição nos modais mais equilibrada, poderia haver uma
redução na casa de 80 bilhões de reais no custo de transporte. No entanto, devido ao fato do
crescimento econômico impulsionar o setor logístico é de se esperar que nos próximos anos
haverá um crescimento do setor e consequentemente um aumento no consumo energético.
Segundo estudos (IEA, 2015) a energia utilizada pelo transporte mundial irá aumentar em cerca
de 75% em 2050 se nenhuma medida for tomada.
É necessário, pois, discutir e avaliar novas tecnologias e métodos para aumentar a
eficiência energética do setor e diminuir a poluição gerada pela cadeia de consumo. Hoje essa é
uma das maiores preocupações dos países, tanto que, frequentemente são impostas novas
políticas de redução de poluentes e consumo para o modal rodoviário, como as normas Euro 6 e
7 que ainda entrarão em vigor no Brasil para os motores a diesel.
Tabela 1.2 – Balanço Energético Nacional; Consumo por setor
Identificação Consumo [ktep²] Relativo [%]
Consumo Não Energético¹ 14.752 5,8
Setor Energético 26.279 10,3
Residencial 24.851 9,7
Comercial 8.399 3,3
Público 4.026 1,6
Agropecuário 10.291 4,0
Transporte – Total 82.651 32,4
Transporte – Rodoviário 77.436 30,3
Transporte – Ferroviário 1.129 0,4
Transporte – Aéreo 3.347 1,3
Transporte – Hidroviário 740 0,3
Industrial – Total 84.183 33,0
Consumo Final 255.432 100
Fonte: EPE, 2017. 1: Quantidade de energia contida em produtos que são utilizados em diferentes setores para fins não-
energéticos.
2: Mil Toneladas Equivalentes de Petróleo. Unidade de energia, aproximadamente 42 gigajoules.
13
1.3 Questões Climáticas
O transporte de produtos sempre gerará um impacto ao meio ambiente, seja decorrente da
poluição, seja da destruição para construção de infraestrutura ou, até mesmo, advindo do
sucateamento dos veículos que não funcionam mais. O transporte por veículos gera outro grande
problema: uma vez que a poluição decorrente dos veículos é gerada próxima aos centros
habitacionais, as populações ficam cada vez mais expostas aos agentes poluentes e tóxicos.
Para contornar a situação, como dito, os países estão desenvolvendo, progressivamente,
políticas rígidas de controle de emissão de poluentes para veículos de passeio e veículos de
carga, especialmente aqueles que consomem óleo diesel - devido a maior toxicidade dos agentes
gerados pela sua queima.
Os veículos a diesel, majoritariamente empregados no transporte rodoviário, são
responsáveis por 91% do NOx emitido na atmosfera, além de 96% de material particulado e cerca
de 49% de todo o CO2 (MMA, 2013). Dentro da divisão dos veículos para transporte, os
caminhões médios e pesados obtiveram a maior participação na emissão dos poluentes. Para
controlar a emissão dos motores a diesel em veículos comerciais e de passeio, a União Europeia
estipulou uma norma com padrões de emissão que é imposta a todos os veículos novos: a norma
EURO.
O padrão Euro I entrou em vigor em 1992 controlando a emissão de CO, NOx e
particulado. Essa norma é constantemente atualizada e a cada novo padrão os limites de poluição
são mais apertados. A partir de 2013 a norma EURO VI, a mais atual, tornou-se obrigatória para
todos os carros e caminhões.
Importante ressaltar que os veículos são categorizados quanto a sua finalidade, tamanho
e motorização. A divisão das categorias de caminhão, de acordo com a norma brasileira, será
apresentada no capítulo subsequente.
14
CAPÍTULO II
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Veículos de transporte Rodoviário
2.1.1 Classificação
Segundo o Conselho Nacional de Trânsito (Contran), os veículos para transporte de carga
são divididos em tipos considerando sua finalidade, comprimento máximo, capacidade e peso
bruto total. Os caminhões podem ter o compartimento de transporte de carga acoplado ao próprio
chassi ou a uma estrutura separada. Neste caso, a parte motora é chamada de cavalo mecânico
enquanto a carroceria para o transporte de carga denomina-se reboque. A combinação do cavalo
mecânico e do reboque (ou semirreboque) é nominada carreta. Abaixo, um resumo dos tipos de
veículos para transporte de carga:
• Veículo Urbano de Carga (VUC): É um caminhão apropriado para áreas urbanas, com
um eixo motor, comprimento máximo de 6,3 metros e capacidade de três toneladas;
• Caminhão Semipesado: Já possui um tamanho maior que o VUC de 14 metros, um
eixo motor na traseira podendo transportar seis toneladas com um Peso Bruto Total
(PBT) de 16 toneladas;
15
• Caminhão Pesado: É um caminhão semipesado com eixo duplo na traseira, o que
permite maior carga. O comprimento máximo também é de 14 metros, mas a
capacidade aumenta para 10 a 14 toneladas com PBT de 23 toneladas.
• Cavalo mecânico: É o conjunto formado pela cabine, motor e rodas de tração do
caminhão com eixo simples. Esse conjunto pode ser acoplado a vários tipos de
semirreboque.
• Cavalo mecânico trucado: É o mesmo conjunto do cavalo mecânico mas com um eixo
duplo na traseira que o permite carregar mais carga.
• Reboque e Semirreboque: Reboque é definido como uma estrutura para transporte de
carga que é acoplado a uma parte motora, podem ser um caminhão ou um trator por
exemplo. A diferença entre o semirreboque é que este último necessita ser apoiado
sobre a estrutura motora para seu transporte e não apenas acoplado. Nos transportes
de carga rodoviários esse é o tipo mais comum. Os semirreboques podem ser de 2 ou
três eixos.
• Carreta dois eixos: É a composição de um cavalo mecânico com um semirreboque de
dois eixos. Tem o comprimento máximo de 18,15 metros e um PBT de 33 toneladas.
• Carreta três eixos: É a composição de um cavalo mecânico com um semirreboque de
três eixos. Também tem o comprimento máximo de 18,15 metros e PBT de 41,5
toneladas.
• Carreta Cavalo Trucado: É a composição de um cavalo trucado com semirreboque de
três eixos. Também possui o comprimento máximo de 18,15 metros com PBT de 45
toneladas.
• Bitrem ou treminhão: Composição de um cavalo trucado, um semirreboque e um
reboque totalizando sete eixos com um PBT de 57 toneladas.
• Rodotrem: Composição parecida com a anterior, mas no lugar de um reboque e um
semirreboque, são utilizados dois semirreboques com um veículo intermediário entre
eles chamado de Dolly. Essa composição tem PBT de 74 toneladas.
16
Figura 2.1 - Tipos de Caminhões com Carroceria.
Fonte: Blog Carro de Garagem.
A CNT (2017), organização que anualmente compila os dados referentes ao transporte
no país, com o intuito de gerar estatísticas, dividiu os caminhões em 4 categorias: a) caminhões
de até 8 toneladas; b) caminhões de até 29 toneladas; c) cavalos mecânicos (ou caminhões-
trator) e d) caminhões-trator especiais, sendo essa última destinada aos veículos fora de estrada,
isto é, aqueles com características que os impossibilitam de andar em vias públicas sem
autorização prévia.
Segundo dados da própria CNT, em 2017, no transporte rodoviário, havia um total de
1.035.709 caminhões e 561.531 semirreboques. O número de veículos por categoria está
demonstrado na tabela 1 do presente estudo.
Todas essas informações apresentadas têm papel fundamental no projeto desenvolvido;
projeto este que consiste na elaboração de um sistema de eixo híbrido para instalação nos
semirreboques. Isso porque os dados demonstram o grande potencial de implementação dessa
proposta no território nacional, uma vez que há mais de 400.000 semirreboques para serem
equipados com esse sistema híbrido.
Ademais, como será evidenciado no decorrer deste trabalho, o potencial econômico da
implementação do eixo híbrido é garantido, não só aos empresários e caminhoneiros autônomos,
mas também ao país como um todo, já que a eletrificação da frota brasileira que gerará uma
contenção enorme de recursos financeiros e ambientais.
18
2.1.3 Sistema de Freio de Caminhões
O sistema de frenagem empregado nos caminhões é atuado via ar comprimido, podendo
ser de dois tipos: a tambor ou a disco. O freio a tambor foi o primeiro a ser empregado nesse tipo
de veículo e até hoje é o mais utilizado nos transportes de carga no Brasil. As principais vantagens
são seu baixo custo e a sua maior capacidade de gerar torque de frenagem, ideal para veículos
de carga. Porém esse sistema possui baixa capacidade de dissipação da energia térmica, o que
o torna ineficiente.
Já os freios a disco possuem uma ótima capacidade de dissipação térmica e, além de
serem mais robustos, necessitam de menos manutenção que os freios a tambor. Seu custo, no
entanto, é maior. Com a evolução da tecnologia, os freios a disco se equivalem aos freios a
tambor na geração de torque de frenagem em um pacote menor e com maior eficiência, motivo
pelo qual passaram a ser cada vez mais utilizados nos veículos de carga (BENDIX, 2011).
Figura 2.4 - Freio a Disco Meritor EX225.
Fonte: Meritor.
2.2 Veículos Elétricos e Híbridos
Um veículo elétrico é aquele que usa o motor elétrico como força motriz podendo ter
diversas fontes de energia, como baterias e células de combustível. Já um veículo híbrido é
aquele que possui duas ou mais fontes de força motriz, que podem ser mecânicas, hidráulicas
ou elétricas. Os veículos elétricos e híbridos estão na vanguarda dos automóveis, sendo que o
primeiro automóvel já desenvolvido foi elétrico.
19
2.2.1 Histórico
Os veículos elétricos e híbridos começaram a ser foco de pesquisa e desenvolvimento
desde o início do século 19. Em 1881, Gustave Trouvé desenvolveu o primeiro veículo elétrico
que contava com um motor DC de 0,1cv alimentado por baterias de chumbo-ácido. Os
automóveis híbridos são tão antigos quanto os primeiros veículos automotores; eles nasceram
com o propósito de melhorar e complementar a performance dos MCI, visto que a engenharia de
motores elétricos era superior aos MCI naquela época (History of Hybrid Vehicles. 2006). Um
grande problema dos modelos híbridos de antigamente era o controle do sistema elétrico, uma
vez que a eletrônica de potência só viria a ser disponível a partir da década de 70.
Apesar da disputa entre os veículos a combustão e os elétricos ter persistido durante os
próximos 20 anos, a superioridade em questões técnicas, operacionais e de custo levaram à larga
adoção da tecnologia de motores a combustão interna. Um dos mais importantes avanços
tecnológicos dessa era foi a invenção do freio regenerativo em 1897 pelo francês M.A Darracq,
que permitiu o aumento significativo da autonomia dos veículos elétricos da época. (Ehsani et al.,
2005).
Na década de 70, o foco na pesquisa e desenvolvimento de veículos híbridos retornou
decorrente das discussões ambientais. Os primeiros modelos a serem desenvolvidos foram o
ônibus Mercedes-Benz OE 302 (DAIMLER, 2005) e o automóvel General Motors XP-883. No
caso do ônibus o sistema de propulsão era um hibrido em série com motores DC acoplados as
rodas. Apesar de cumprir o objetivo – boa mobilidade urbana –, esses veículos ainda tinham
barreiras tecnológicas para vencer, já que a autonomia e o desempenho deixavam a desejar,
bem como o elevado peso agregado ao sistema.
Nessa mesma época outros tipos de sistemas híbridos foram desenvolvidos, como é o
caso dos sistemas híbridos de energia cinética através de volante de massa, empregados em
ônibus urbanos. Nesse tipo de sistema, a energia excedente produzida pelo motor à combustão
e dissipada nas frenagens era recuperada em forma de energia cinética.
20
Figura 2.5 – Mercedes-Benz OE302
Fonte: Mercedes-Benz.
2.2.2 Mercado Atual
Atualmente o mercado de veículos híbridos e elétricos está aquecido, com novos modelos
sendo lançados a cada ano e marcas de grande porte com o foco em eletrificar suas linhas. Com
o desenvolvimento da eletrônica de potência e o avanço tecnológico das baterias, o projeto de
automóveis elétricos se tornou competitivo com os carros com MCI (Ehsani et al., 2005). Hoje, os
veículos dessa categoria conseguem atingir autonomia de mais de 400km, além de alcançarem
desempenho superior aos veículos comuns.
Para exemplificar segundo a TESLA (2018), o elétrico Model 3 da Tesla Motors pode
atingir 510km de autonomia (e com apenas 30 minutos de carga consegue uma autonomia de
210km) e acelerar de 0 a 100km/h em 5,1 segundos. Esse modelo conta com um motor elétrico
acoplado a uma caixa de redução simples que transmite o torque através do eixo traseiro do
veículo.
Os veículos híbridos também contam com performance comparável aos carros com motor
MCI. O híbrido Prius da Toyota que já está disponível no Brasil, apresenta, de acordo com os
dados do INMETRO, economia de 52% na cidade e 42% na estrada se comparado a um veículo
de mesmo porte, sendo que na cidade esse modelo percorre em média 18,9km/l e possui uma
autonomia de 812,7km com um tanque de combustível (TOYOTA, 2018).
De maneira comparativa, com o Prius não é possível fazer recarga das baterias através
de uma tomada ou estação de carga, ao contrário do Model 3, que é um veículo elétrico. Ademais,
22
Atualmente, os países do continente europeu se movem para barrar a venda de veículos
com motores MCI. No Reino Unido por exemplo a partir de 2040 a venda de carros com MCI será
proibida.
Devido a essa tendência, as montadoras estão eletrificando seus portfólios, seja
hibridizando os veículos mais recentes, seja desenvolvendo novos modelos elétricos. A marca
sueca Volvo anunciou, em 2017, que a partir de 2019 toda sua linha de veículos será elétrica ou
híbrida (PRESSE, 2017). Também estabeleceu como meta que em 2025 a venda de veículos
elétricos já represente 50% das vendas totais.
No mercado de caminhões também existem inúmeras iniciativas de novos produtos. A
empresa Tesla, por exemplo, anunciou seu novo produto, o Tesla Semi: um cavalo mecânico
com 4 motores elétricos independentes nos eixos traseiros capaz de percorrer 500 km com uma
carga. Além da Tesla, a Volvo já desenvolve um caminhão médio com um motor de 130 kW e
autonomia de 300 km, focado no transporte urbano e rodoviário de curtas distâncias (VOLVO,
2017).
Figura 2.8 - Tesla Semi
Fonte: Tesla.
No Brasil a Volkswagen Caminhões lançou, durante a FENATRAN 2017, o Delivery
Elétrico, apelidado de e-Delivery. É um caminhão leve, destinado a entregas urbanas totalmente
elétrico. Conta com um motor de 80 kW e autonomia urbana de 200 km. O veículo entrará em
testes no ano de 2018 e estará disponível para o mercado a partir de 2020.
23
É possível extrair, diante do exposto, a percepção de um mercado atual bastante
propenso aos veículos híbridos e elétricos, com diversas configurações e possibilidades distintas
passíveis de serem adotadas. O próximo tópico tratará de explanar sobre os veículos híbridos
elétricos, suas características de funcionamento e quais os tipos mais comuns.
Figura 2.9 - Volkswagen e-Delivery
Fonte: Volkswagen.
2.2.3 V. Híbridos Elétricos
Conforme exposto, os veículos híbridos foram beneficiados pelas novas tecnologias
desenvolvidas e hoje contêm as melhores características para disputar o mercado com os
veículos a MCI. Nesse cenário, os veículos puramente elétricos são adiados para o futuro.
Enquanto os híbridos agregam as vantagens dos dois tipos de motores, adequando o uso
das duas fontes de energia de acordo com sua necessidade e, assim, balanceando as
desvantagens de cada sistema, os veículos convencionais, a MCI, possuem boa performance e
grande autonomia - devido à alta densidade energética dos combustíveis e baixo custo devido a
sua maturidade.
Os automóveis convencionais, no entando, encontram grandes barreiras, não só
ambientais, mas também de baixa eficiência. Segundo Ehsani et al. (2005), a baixa eficiência dos
MCI é decorrente das condições de operação dos veículos que não são adequadas para as
características de eficiência na operação dos MCI. Já que segundo o autor, os MCI têm melhor
24
eficiência em condições de carga constante e como, no transporte, a carga é altamente variável
devido as acelerações e frenagens, esse tipo de motor não é ideal.
Os veículos elétricos, por sua vez, têm alta eficiência energética e podem gerar menos
poluições e menores impactos ambientais, dependendo da fonte produtora da energia elétrica.
Não obstante, um dos seus maiores problemas é a baixa autonomia de operação, visto que as
baterias possuem baixa densidade energética quando comparadas aos combustíveis, além de
alto custo financeiro de aquisição.
Assim, os híbridos ao utilizarem das duas fontes motrizes distintas conseguem aliar a alta
autonomia dos MCI com a boa eficiência energética e a baixa emissão de poluentes do sistema
elétrico.
Figura 2.10 – Configurações do fluxo de energia de Híbridos
Fonte: Ralston, M., Nigro Plug-in Electric Vehicles.
25
Figura 2.11 - Carga decomposta em constante e dinâmica
Fonte: Ehsani et al. (2005)
Segundo Ehsani et al. (2005) o trem de força de um veículo híbrido, que geralmente é
composto por dois motores, possui diferentes configurações do fluxo de energia motriz de acordo
com as características da demanda de tração. É interessante notar que a demanda por potência
em um ciclo de condução pode ser dividida em duas: uma demanda média e constante e uma
demanda dinâmica onde a média é zero, como indicado na Figura 2.11. Então uma das
estratégias empregadas em veículos híbridos é uma fonte de potência para uma carga maior e
constante e outra fonte para suportar a carga dinâmica exigida na condução.
Como exemplo, um MCI é melhor aplicado em situações de carga constante onde pode-
se operar mais perto do ponto de eficiência máximo, já um motor elétrico tem vantagem na
utilização em cargas dinâmicas, já que sua eficiência varia menos ao longo da sua faixa de
operação. Logo, um híbrido pode ter diversos modos de operação para melhor atender a
demanda de carga da condução. As configurações são listadas abaixo:
1. Motor 1 entrega energia motriz sozinho para o veículo;
2. Motor 2 entrega energia motriz sozinho para o veículo;
3. Motor 1 e 2 entregam energia motriz juntos para o veículo;
4. Motor 2 regenera energia motriz do veículo (freio regenerativo);
5. Motor 2 regenera energia motriz do Motor 1;
6. Motor 2 regenera energia motriz do veículo e do Motor 1;
7. Motor 1 entrega energia motriz para o veículo e para o Motor 2 ao mesmo tempo;
8. Motor 1 entra energia motriz para o Motor 2 e o Motor 2 entrega energia motriz para o
veículo;
9. Motor 1 entrega energia motriz para o veículo e o Motor 2 regenera energia motriz do
veículo;
26
Há diversas maneiras diferentes de um veículo híbrido administrar a energia empregada
no sistema. A literatura divide a arquitetura dos veículos híbridos em dois tipos básicos, o híbrido
em série e o híbrido em paralelo. Essa arquitetura relaciona-se como os componentes do sistema
se conectam e como o fluxo de energia acontece, na Figura 2.10 é indicado os fluxogramas
básicos de como são essas arquiteturas.
No híbrido em série, o MCI está conectado a um gerador elétrico que alimenta as baterias
e o motor elétrico, logo apenas o motor elétrico é empregado para prover energia trativa ao
veículo, sendo a função do MCI em prover essa energia. Diferente do híbrido em paralelo, onde
tanto o MCI quanto o motor elétrico estão conectados a roda e provem energia trativa ao veículo.
Nesse caso o manejo é mais versátil, já que o sistema pode atuar como um em série ou um em
paralelo. Na Figura 2.12 há outro esquema que elucida melhor os dois tipos de híbridos.
Figura 2.12 - Esquemático do Trem de Força de um Híbrido
Fonte: Ehsani et al. (2005)
A arquitetura de um veículo elétrico não se resume a esses dois tipos, há inúmeras outras
configurações possíveis como a solução desenvolvida pela Toyota para o Prius representada na
Figura 2.7 que é um híbrido Serie-Paralelo.
27
2.3 Sistema de tração elétrico
2.3.1 Motor Elétrico
O motor elétrico é uma máquina eletrostática com a finalidade de converter energia
elétrica em energia mecânica, muitas vezes o caminho inverso é possível tornando-se, então, um
gerador elétrico. Com o desenvolvimento da eletrônica de potência, hoje, há inúmeros tipos de
motores elétricos com as mais variadas finalidades, sendo que para o ramo automotivo os dois
tipos mais comuns são o motor Brushless DC (BLDC) e os motores de indução trifásicos.
Os dois tipos se beneficiaram bastante dos recentes avanços na tecnologia da eletrônica,
pois seus funcionamentos dependem da comutação do sinal elétrico através do inverter. Eles
possuem desempenhos semelhantes e possuem uma relevância igual no mercado automotivo.
Porém, devido ao aumento no consumo de terras raras, material necessário na fabricação dos
imãs permanentes do BLDC, o motor de indução tem se tornado uma opção mais viável devido
ao menor custo por não possuir imãs permanentes.
2.3.2 Dispositivo para armazenamento de energia
Os veículos híbridos necessitam de formas diferentes de armazenar a energia, já que
possuem dois motores de tecnologias diferentes e muitos são capazes de recuperar a energia
cinética do movimento. Um dispositivo desse tipo precisa ser capaz de armazenar energia,
entrega-la quando houver necessidade e ser capaz de armazena-la vindo do sistema do veículo.
Alguns exemplos de armazenadores de energia utilizados em híbridos são as baterias
eletroquímicas, ultracapacitores, vasos hidráulicos de alta pressão e volantes de massa de alta
velocidade. No escopo desse trabalho, um híbrido elétrico, as opções mais utilizadas são as
baterias eletroquímicas e os ultracapacitores.
As baterias eletroquímicas são dispositivos que convertem a energia elétrica em energia
potencial química e vice-versa. Para a aplicação automotiva é preciso que o dispositivo atenda a
requisitos mínimos de custo, eficiência, energia específica, potência específica, segurança, vida
útil entre outros e é por isso que houve a adoção lenta e restrita dos veículos híbridos e elétricos
no mercado. As baterias modernas evoluíram bastante e já atendem a todos os requisitos
necessários e sua maioria são compostas de células aglomeradas em um pacote maior, sendo
que cada célula é uma bateria individual, como visto na Figura 2.13. Os tipos mais comuns são
células prismáticas empilhadas ou células cilíndricas enfileiradas.
28
Para aplicações em veículos híbridos, uma das características mais relevantes é a
potência específica (EHSANI,2005) já que a fonte de energia principal não advém das baterias e
sim de um combustível químico. Além disso, uma potência suficiente é necessária para suprir a
demanda do veículo em subidas, acelerações repentinas e durante as frenagens regenerativas.
A potência específica pode ser definida como a potência máxima por unidade de peso que a
bateria consegue gerar em um curto período de tempo, ou seja, quanto maior esse valor mais
leve a bateria pode ser. Ehsani (2005) afirma que apesar da energia específica ser alta nas
baterias de alto padrão, a potência específica ainda precisa avançar.
Como visto na Figura 2.11, a necessidade de potência média durante a utilização do
veículo pode até ser baixa, porém os picos de potência dinâmica são muito altos se comparados
à média. Isso fica mais evidente nos sistemas híbridos, já que a potência média é fornecida pelo
MCI e a de pico pelo motor elétrico.
Consequentemente, há uma dificuldade em balancear as características de energia
específica, potência específica e vida útil da bateria. Para contornar esse problema,
ultracapacitores podem ser adicionados ao sistema de energia para equilibrá-lo, já que esses
dispositivos possuem uma alta potência e baixa energia específicas.
O ultracapacitor, nesses casos, pode ser implementado como uma espécie de
“amortecedor” de energia no sistema, sendo que, quando há um pico na demanda de energia o
motor utiliza da energia do ultracapacitor e este recebe energia de forma gradual da bateria,
sendo a recíproca verdadeira. Desta forma os requisitos de energia e potência específicos podem
ser desacoplados e otimizados em dispositivos separados, aumentando a eficiência do sistema
e sua vida útil.
Figura 2.13 - Bateria de Lithium-ion da Panasonic
29
Fonte: Theron Trowbridge. Disponível em: <https://www.flickr.com/photos/therontrowbridge/4258453742> Acesso em: 13/05/2018.
Figura 2.14 - Ultracapacitor automotivo
Fonte: Maxwell Technologies.
30
CAPÍTULO II I
3 DESENVOLVIMENTO
A ideia principal do projeto é estudar e desenvolver um sistema capaz de recuperar energia
cinética do movimento do veículo e armazená-la para posterior utilização, gerando assim,
economia de energia. Esse sistema deve ser de fácil instalação em caminhões que já estejam
em utilização e priorizar o baixo custo e robustez.
O primeiro ponto do trabalho consiste na instalação de um conjunto motriz elétrico nos eixos
dos implementos do tipo semirreboque puxados por cavalos mecânicos. A segunda ideia é a
instalação de um conjunto entre o MCI e o diferencial através do eixo cardã em caminhões sem
a opção de semirreboques. Em ambos, a energia recuperada pelo sistema proposto pode ser
utilizada para ajudar o MCI a mover o veículo; para desacoplar os componentes auxiliares do MCI
e acopla-los a motores elétricos - como o compressor de ar e o de ar condicionado - aumentando
a eficiência do MCI; pode ser devolvida à rede elétrica em troca de créditos com a distribuidora
de energia local, como será visto mais a frente, dentre outros usos.
3.1 METODOLOGIA
O projeto parte do desenvolvimento de um layout simplificado do funcionamento do
sistema híbrido. Com o layout é possível descrever quais os componentes escolhidos para
compor o sistema e a partir daí estruturar como deve ser seu controle e interface para que atinja
31
o desempenho desejado no projeto. É importante que o sistema desenvolvido tenha o
desempenho de frenagem igual ou superior ao sistema existente e seja viável quando comparado
seu custo de aquisição com a economia de combustível alcançada.
Com tudo definido, um modelo físico simplificado é equacionado e implementado em um
software de cálculos. A partir desse modelo é possível simular o funcionamento do sistema em
diferentes ciclos de condução e avaliar o desempenho e os resultados de economia de energia.
Nessa etapa do desenvolvimento, com os dados até aqui obtidos, é importante avaliar a escolha
dos componentes elétricos, uma vez que é possível aproximar as potências e a quantidade de
energia que flui pelo sistema. Além disso, outras alterações já podem ser propostas com base na
avaliação dos resultados, a fim de otimizar o funcionamento do sistema como um todo.
É crucial a elaboração de um modelo em CAD para avaliar como será a montagem
mecânica do sistema. Nesta etapa é projetado como será a interface dos componentes, as
fixações e peças necessárias para o funcionamento. Componentes básicos de fixação e
transmissão de potências são dimensionados e escolhidos de acordo com as necessidades do
projeto.
Com o modelo em CAD finalizado, é possível especular sobre a fabricação das peças e
montagens e obter uma aproximação do custo de fabricação de um sistema como esse,
finalizando, pois, o projeto proposto no presente trabalho.
3.2 PROJETO CONCEITUAL
3.2.1 LAYOUT DO SISTEMA
Os sistemas idealizados para o projeto visam a simplicidade e funcionalidade. A primeira
opção é garantir que a nova unidade de potência elétrica seja intercambiável com o eixo já
existente na carreta visando a fácil adaptação, além de que é priorizado a utilização de
componentes padrões na concepção do sistema e construção mecânica com chapas e tubos
padrão. Nessa opção os motores elétricos serão, cada um, acoplados a uma roda através de um
sistema de redução fixo por engrenagem e integrado junto a um sistema de freio a disco já
desenvolvido e existente no mercado. Um exemplo de sistema semelhante ao proposto no Layout
A é o Eletric Portal Axle AVE 130 da ZF para ônibus urbanos, ou seja, é uma proposta já
desenvolvida e testada por uma grande empresa do mercado. Junto aos motores, há outros
33
A outra opção de sistema é concebida para a instalação em caminhões que não utilizam
o semirreboque, como os VUCs com proposta urbana e os caminhões semipesados, com
proposta não só urbana, mas também rodoviária. Nessa opção de layout é utilizado apenas um
motor elétrico acoplado ao cardã que transmite o torque diferencial e dele para às rodas do
caminhão, como mostrado esquematicamente na Figura 3.3. É uma solução com maior
simplicidade técnica e também é, possivelmente, uma opção mais barata devido ao menor
número de componentes com alto valor agregado empregados. Em contrapartida, dificulta a
implementação e controle da distribuição de torque e do sistema de frenagem ABS.
A conclusão que se chega, portanto, é que um sistema como esse é ideal para aplicações
menores e com custo agregado menor, como nos caminhões com chassi.
Figura 3.3 - Layout B
3.2.2 Modelos
São propostos três modelos no trabalho, sendo eles: a) um veículo grande de proposta
rodoviária, b) um médio para rodar em trechos mistos e c) um terceiro veículo para entregas
urbanas. Abaixo seguem as características dos modelos propostos.
É interessante notar que o modelo 1 é basedo no MAN TGX 33.440, o modelo 2 no VW
Constellation 17.190 e o modelo 3 no VW Delivery 9.170.
34
Tabela 3.1 - Modelos Adotados
Modelo Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3
Classificação Carreta três eixos Caminhão Pesado Caminhão Semipesado
Layout Layout A Layout B Layout B
PBT 41,5 ton 17,1 ton 8,8 ton
Potência 440 cv 186 cv 165 cv
Dist. Entre Eixo 3,6 / 5 m 4,8 m 4 m
Pneu 295/80R22.5 295/80R22.5 215/75R17.5
3.2.3 Controle
Para simplificar o controle do sistema de recuperação de energia do eixo da carreta, será
utilizado uma estratégia de controle baseado no torque de frenagem (WANG; ZHUO, 2008). A
ideia desse controle é determinar qual o torque de frenagem requerido através da entrada no
pedal de freio pelo motorista e comparar com o torque máximo que o gerador acoplado à roda
pode produzir e com o torque máximo que o pneu suporta sem deslizar. As situações estão
descritas abaixo:
1. Caso o torque de frenagem seja menor ou igual ao torque de frenagem máximo do
gerador, aplica-se apenas a frenagem regenerativa;
2. Caso o torque de frenagem seja maior que o torque de frenagem máximo do
gerador, aplica-se em conjunto com a frenagem regenerativa o torque do sistema
de freio convencional;
3. Caso o torque de frenagem exceda a capacidade de tração do pneu, o sistema ABS
detecta a diferença na rotação da roda e entra em ação, aliviando primeiro o freio
mecânico e caso necessite reduz a frenagem regenerativa.
3.2.3.1 ABS (Anti-Locking Braking System)
Na concepção do sistema de ABS (Anti-Locking Braking System), é considerado que
existem soluções comerciais para serem implementadas no sistema mecânico e elétrico já
desenvolvidas e testadas.
35
No Layout A o sistema antitravamento das rodas pode ser acoplado ao sistema de controle
dos motores elétricos e integrado para controlar, também, o sistema de frenagem mecânico,
proporcionando a atuação independente em cada roda do semirreboque.
Já no Layout B, o conjunto ABS conseguiria controlar apenas a intensidade do torque do
gerador elétrico, isto é, em casos que a vetorização do torque é necessária. Um exemplo é
quando uma roda passa em uma possa d’água durante a frenagem. Nesses casos o sistema ABS
não proporcionaria uma frenagem segura, no entanto, a vetorização do torque de frenagem
poderia ser atingida controlando os freios mecânicos, atingindo, assim, uma performance
aceitável.
3.3 SIMULAÇÃO
O objetivo da simulação computacional é melhorar o entendimento acerca do sistema
proposto e tentar obter mais dados e informações sobre seu desempenho mecânico e elétrico,
de forma simples.
O programa é construído para ler os dados dos ciclos de direções, receber as informações
do veículo e a partir disso, calcular as potências e energias em aceleração e frenagem durante
os ciclos. Ademais, ele permite realizar os cálculos dinâmicos e obter os torques máximos por
eixo e, com isso, utilizar o controle desenvolvido no estudo para determinar a eficiência de
recuperação de energia nas frenagens pelo motor elétrico, bem como o seu desempenho em
aceleração.
Abaixo há a descrição dos conceitos utilizados na simulação e o equacionamento da
cinemática e dinâmica do veículo. O código completo pode ser encontrado ao final do trabalho,
no ANEXO A.
3.3.1 Drive Cycles (Ciclos de Direção)
Os ciclos de direção, em inglês Drive Cycles, são padrões de direção criados por
organizações para auxiliar na avaliação de automóveis tanto de passageiros quanto de carga.
Esses ciclos podem ser utilizados para a avaliação de diversos parâmetros do veículo, como o
desempenho de tração, a capacidade de inclinação em diferentes condições, desempenho de
36
frenagem, consumo de combustível e emissão de poluentes. Os ciclos escolhidos para o presente
trabalho são apresentados a seguir.
É importante mencionar que um fator muito útil para a caracterização dos ciclos de direção
é a intensidade cinética. Esse parâmetro relaciona a aceleração característica de um ciclo com a
sua velocidade, sendo uma métrica importante para avaliar a eficácia de sistemas de regeneração
de energia (Prohaska, et al. 2016).
Para exemplificar, quando um ciclo de direção possui poucas desacelerações e longos
períodos em velocidade de cruzeiro com o HHDDT, é dito que ele possui uma baixa intensidade
cinética, porém se o ciclo possui muitas desacelerações e acelerações, como o LA92, considera-
se que ele possui alta intensidade cinética
• HHDDT: Heavy-Heavy Duty Diesel Truck schedule é um ciclo criado pela California Air
Resources Board (CARB), nos Estados Unidos, com parceria da West Virginia University.
O ciclo tem o objetivo de testar veículos pesados a diesel em teste de dinamômetro de
chassis. O ciclo é dividido em três etapas, mas para esse trabalho apenas o ciclo de
direção em rodovia com maior velocidade média será utilizado.
Figura 3.4 - Ciclo de direção HHDDT
37
• LA92: É outro ciclo criado pela CARB, e tem como objetivo testar veículos de carga de
menor porte em ciclo urbano com alguns trechos em rodovia. Esse ciclo de direção é
utilizado pela Supplemental Federal Test Procedure para testar as emissões de veículos
com motores diesel Tier 3. É um ciclo com alta intensidade cinética devido as bruscas
acelerações e frenagens.
Figura 3.5 – Ciclo de direção LA92
• HWYCOL: Este ciclo foi criado pela United States Enviroment Protection Agency (EPA)
com o mesmo objetivo dos demais. É um ciclo voltado para o teste de economia de
combustível em situações de viagens em rodovia, por isso conta com uma velocidade
mais constante e com velocidade média maior.
• WHVC: a sigla significa World Harmonized Vehicle Cycle. Este ciclo foi desenhado para
veículos de cargas médias e pesados e inclui trechos urbanos de baixa velocidade,
trechos de velocidade média e um trecho final de rodovia. É o único ciclo que conta com
o grau de inclinação da pista.
38
Figura 3.6 - Ciclo de direção HWYCOL
Figura 3.7 - Ciclo de direção WHVC
39
Figura 3.8 - Grau de inclinação WHVC
3.3.2 Sistema de coordenadas
O sistema de coordenadas adotado para o trabalho é proposto pela SAE. Tal sistema é
orientado pelo referencial direito. Seu centro é posicionado na massa suspensa do veículo, mais
especificadamente fixo no CG, com o eixo x direcionado para frente, o eixo y para a esquerda e
o eixo z para baixo. No caso do veículo ser uma composição, as carretas apresentam uma
orientação equivalente.
Figura 3.9 - Eixo de coordenadas adotado
Fonte: Gillespie (1992).
40
3.3.3 Descrição geral do movimento
Para descrever o movimento geral de um veículo, parte-se de um modelo simplificado em
um plano inclinado. A Figura 3.10 é a representação do diagrama de corpo livre. Através dela é
possível observar as forças trativas no contato do pneu com o solo, que são geradas pelo trem
de força, as forças resistivas de rolagem dos pneus, a força da resistência do ar devido ao
movimento e a força devido ao plano inclinado.
De acordo com a segunda lei de Newton, para que o veículo acelere, o somatório das
forças trativas deve ser maior que o somatório das forças de resistência, ou seja, a aceleração
do veículo pode ser escrita como:
trativas resistivasF FdV
dt W
−
=
(1)
onde V é a velocidade do veículo, ∑ 𝐹 𝑡 é a força trativa total ∑ 𝐹𝑡𝑟 é a força resistiva total, 𝑀𝑣 é
a massa total do veículo e 𝛿 é o fator de massa, que compensa o efeito da inércia rotacional dos
componentes do trem de força.
Figura 3.10 – DCL Esquemático veículo
Fonte: Gillespie (1992).
41
3.3.4 Resistências ao movimento
Como apresentado na Figura 3.10, as resistências podem aparecer devido ao movimento
ou a inclinação da pista e isso inclui a resistência, a rolagem que aparece como o torque 𝑅𝑥, a
resistência devido ao ar 𝐷𝐴 e a força devido o plano inclinado, 𝑊 sin θ. As resistências serão
esmiuçadas nas seções subsequentes.
3.3.4.1 Resistência a rolagem
Quando o pneu de um veículo está sob carga, sua banda de rodagem deforma sobre o
asfalto e cria uma área de contanto, distribuindo a carga sobre tal área. Quando o pneu está em
movimento, a pressão de contato é distribuída assimetricamente na área de contanto do pneu
com o solo. Na Figura 3.11 pode-se observar que a área à frente do movimento concentra mais
pressão do que a porção atrás. Esse fenômeno resulta no deslocamento da força de reação
resultante do solo para a parte frontal da área de contanto do pneu, consequentemente a frente
do pneu. Portanto, um momento de resistência a rolagem é criado.
Figura 3.11 - Deflexão do pneu
Fonte: Ehsani et al. (2005)
42
O momento criado pelo deslocamento do ponto de reação do solo pode ser expresso por:
T Pa= (2)
Para equilibrar o momento e continuar o deslocamento, uma força F é criada no centro da
roda, de magnitude igual à força de resistência à rolagem e com direção contrária. Essa força
pode ser expressa por:
rr
d d
T PaF Pf
r r= = (3)
Onde dr é o raio efetivo do pneu e rf é chamado de coeficiente de resistência, a rolagem
e equivale a d
a
r, logo, a força de resistência à rolagem pode ser expressa por Eq.(3). Caso o
veículo esteja em um plano inclinado, a carga normal P deve ser substituída pela componente
perpendicular ao solo que no modelo matemático adotado é denominada W, logo a Eq.(4) fica
Eq.(5).
x rR Wf= (4)
sinx rR Wf = (5)
O coeficiente de resistência à rolagem é composto pelas características do pneu como a
sua construção, banda de rolagem, material, entre outras, bem como do solo onde o veículo
trafega. Ademais, algumas aproximações consideram o coeficiente linear com o aumento da
velocidade. Para o presente trabalho, o coeficiente será considerado constante e alguns valores
típicos para veículos e superfícies são apresentados na Tabela 3.2.
43
Tabela 3.2 - Coeficientes de Resistência a Rolagem
Condição Coeficiente de Resistência a Rolagem
Pneus de carro no asfalto ou concreto 0.013
Pneus de carro no cascalho 0.02
Pneus de carro em estrada de terra 0.05
Pneus de carro no campo 0.1-0.35
Pneus de caminhão no asfalto ou concreto 0.006-0.01
Rotas em um trilho 0.001-0.002
Fonte: Ehsani et al. (2005)
3.3.4.2 Resistência aerodinâmica
Quando um veículo se desloca pelo ar aparece uma resistência ao seu movimento. A
resistência é a reação da movimentação que é imposta sobre o ar, sendo que ela pode ser
dividida basicamente em dois componentes, devido a forma do veículo e devido a viscosidade do
ar. Basicamente, o ar durante o escoamento é desviado pela geometria do veículo e para manter
a continuidade é necessário que exista uma variação na pressão. Assim são criadas zonas com
diferentes pressões o que resulta em uma resistência ao movimento. A outra fonte de resistência
é devido ao escoamento do ar através da superfície do veículo, que devido a sua viscosidade, ou
seja, a resistência do fluido ao escoamento, resulta em uma força contra o movimento do veículo.
A resistência aerodinâmica pode ser expressa por Eq.(6), sendo ρ a densidade do ar, fA
a área frontal do veículo, dC o coeficiente de arrasto aerodinâmico, V a velocidade do veículo e
wV a componente da velocidade do vento na direção do movimento do veículo.
21( )
2A f d wD A C V V= + (6)
3.3.4.3 Resistência devido à elevação
Quando o veículo está sob um plano inclinado, a força peso gera um componente na
direção do movimento que tanto pode auxiliar quanto resistir ao movimento. A força devido ao
gradiente de elevação é exemplificada na Figura 3.10 e pode ser escrita como:
sinR W = (7)
44
Geralmente o ângulo theta é pequeno, então para simplificar podemos substitui-lo pelo
coeficiente de gradiente. Assim, tem-se:
tan sinH
IL
= = (8)
3.3.5 Distribuição de Carga nos Eixos
O cálculo da distribuição de peso do veículo em aceleração é realizado considerando o
momento em torno do ponto de contato do pneu com o solo, sendo- igual a zero. Para determinar
o peso no eixo traseiro, considera-se o momento das forças zero no ponto de contato do pneu
dianteiro e para determinar no eixo dianteiro, o momento é zero em torno do ponto de contato do
pneu traseiro. Para simplificar o cálculo é admitido que a altura do centro de aplicação da
resistência aerodinâmica é próxima da altura do centro de gravidade. As equações resultantes
são apresentadas abaixo.
x xfs
a ac h hWf W W W
L g L g L
= − = −
(9)
x xfs
a ac h hWf W W W
L g L g L
= − = +
(10)
3.3.6 Potência
A potência é calculada através da multiplicação da força pela velocidade. Então, a
potência empregada pelo trem de força do veículo ou pelo sistema de frenagem pode ser
deduzida a partir da força resultante que atua sobre o veículo mais as forças de resistência
multiplicadas pela velocidade do veículo em dado instante de tempo. A potência pode, então, ser
escrita como:
( )trativas resistivasP V F F= + (11)
45
3.3.7 Energia Mecânica
A energia empregada para mover o veículo, ou seja, o trabalho. Este pode ser obtido
integrando a potência no domínio do tempo e é expresso pela seguinte equação:
2
1
t
t
T Pdt= (12)
3.3.8 Rendimento componentes do sistema
Dentro do código desenvolvido, um dos parâmetros relevantes de cada componente
elétrico são a suas eficiências. Para determinar os valores de eficiência para o motor e a unidade
controladora é consultado o catalogo da fabricante BRUSA Elektronik AG, uma referência no
segmento de soluções de powertrain para veículos elétricos. Para os motores trifásicos de
corrente alternada a fabricante especifica uma eficiência típica de 95% e para o módulo de
controle uma eficiência média de aproximadamente 92%.
A eficiência da bateria é obtida através da literatura, sendo que uma bateria de Lithium-
ion possui em média 95% de eficiência (EHSANI,2005). Para o rendimento das transmissões
mecânicas é considerado o valor de 98% (FRANÇOSO, 2009), visto que a potência é transmitida
através de engrenagens de precisão e apoiadas em mancais de rolamento.
3.3.9 Implementação do sistema de controle
Os cálculos determinam o valor da desaceleração do veículo em seu centro de massa,
assim a divisão de frenagem entre os eixos é determinada pelo controle desenvolvido no
programa. Como explicado no item 3.2.3, é elaborado um sistema de comparação entre os
torques requeridos e disponíveis. Primeiro o programa determina qual a carga total no eixo
traseiro, multiplica-se tal valor pelo coeficiente de atrito do pneu e assim tem-se um limite superior
para o torque de frenagem para aquele eixo, caso esse limite seja superado, é considerado que
o freio dianteiro foi acionado em conjunto para prover a desaceleração requerida.
Com isso, o torque de frenagem requerido é comparado com o torque máximo oferecido
pelo motor elétrico e caso seja maior, parte da desaceleração é considerada proveniente do
sistema de freio convencional. Caso seja menor, o torque fornecido pelo motor é igual ao torque
requerido.
46
CAPÍTULO IV
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Simulação inicial
O objetivo de se realizar uma simulação inicial é entender melhor o problema e obter uma
estimativa das potências e energias às quais o sistema híbrido estará sujeito durante a operação.
Desta forma, é possível direcionar as escolhas de equipamentos para compor cada opção de
layout. Os modelos propostos estão descritos na Tabela 3.1.
Nessa simulação, foram implementadas as equações apresentadas no capítulo anterior,
com exceção do efeito do rendimento dos componentes. Os resultados obtidos estão a seguir.
4.1.1 Resultados iniciais
Os resultados obtidos para cada modelo em cada ciclo são apresentados abaixo. Reitera-
se que o ciclo HHDDT é rodoviário, o HWYCOL é predominantemente rodoviário, o LA92 é um
ciclo urbano e o WHVC é um ciclo misto, porém todos os veículos foram testados em todos os
ciclos por se tratar de uma simulação inicial para compreensão do problema.
47
Tabela 4.1 – Simulação Inicial Modelo 1
Ciclo HHDDT HWYCOL LA92 WHVC
Velocidade Máxima [km/h] 94,9 95,8 107,5 87,8
Velocidade Média [km/h] 67,5 77,3 39,6 40,2
Distância Percorrida [Km] 36,7 15,4 31,4 36,4
Energia Trativa Total [kWh] 69,1 35,1 57,9 48,9
Energia Resistências [kWh] 59,6 25,6 21,52 26,1
Energia Frenagem [kWh] 7,5 10,2 42,2 25,2
Relação Energia Frenagem [%] 10,9 29,3 72,9 53,8
Torque Frenagem máx. [Nm] 52530 74410 204740 93810
Torque Frenagem méd. [Nm] 4940 7926 18966 9950
Pot. Frenagem média [kW] 89 240 356 162
Rotação roda máx. [RPM] 479 484 543 443
Rotação roda méd. [RPM] 349 393 238 235
Tabela 4.2 - Simulação Inicial Modelo 2
Ciclo HHDDT HWYCOL LA92 WHVC
Velocidade Máxima [km/h] 94,9 95,8 107,5 87,8
Velocidade Média [km/h] 67,5 77,3 39,6 40,2
Distância Percorrida [Km] 36,7 15,4 31,4 36,4
Energia Trativa Total [kWh] 42,2 19,7 26,7 22,8
Energia Resistências [kWh] 39,2 16,5 12,8 15,2
Energia Frenagem [kWh] 2,2 3,5 16,2 9,4
Relação Energia Frenagem [%] 5,2 17,6 60,8 41,3
Torque Frenagem máx. [Nm] 21873 30357 83931 38551
Torque Frenagem méd. [Nm] 2585 4148 8156 4500
Pot. Frenagem média [kW] 37 119 148 69
Rotação roda máx. [RPM] 479 484 543 443
Rotação roda méd. [RPM] 349 393 238 235
48
Tabela 4.3 - Simulação Inicial Modelo 3
Ciclo HHDDT HWYCOL LA92 WHVC
Velocidade Máxima [km/h] 94,9 95,8 107,5 87,8
Velocidade Média [km/h] 67,5 77,3 39,6 40,2
Distância Percorrida [Km] 36,7 15,4 31,4 36,4
Energia Trativa Total [kWh] 36,4 16,8 22,5 19,0
Energia Resistências [kWh] 33,8 14,1 10,6 12,3
Energia Frenagem [kWh] 1,9 3,0 14,0 8,2
Relação Energia Frenagem [%] 5,2 17,7 62,2 43,2
Torque Frenagem máx. [Nm] 18985 26068 71610 32621
Torque Frenagem méd. [Nm] 1530 2468 5010 2745
Pot. Frenagem média [kW] 30 99 128 60
Rotação roda máx. [RPM] 676 683 766 626
Rotação roda méd. [RPM] 493 554 335 331
4.1.2 Discussão Inicial
O primeiro ponto observado é a influência do ciclo de direção na energia dispendida com
resistências e com a frenagem. A relevância da intensidade cinética é notada quando são
comparados os resultados do ciclo LA92 com o ciclo do HHDDT e é evidente na relação da
energia de frenagem pela energia total, por exemplo, no modelo 1 essa relação é de 10,9% no
ciclo HHDDT e de 72,9% no LA92.
Por isso é interessante delimitar a análise dos diferentes modelos. Para o modelo 1, com
característica predominantemente rodoviária, apenas os ciclos HHDDT e HWYCOL são
relevantes. Já para o modelo 2 todos os ciclos são importantes, uma vez que esse tipo de veículo
pode ser adequado para realizar longas viagens rodoviárias ou para entregas em centros
urbanos. O modelo 3 com sua característica urbana é avaliado nos ciclos WHVC, no LA92 e
também no HWYCOL considerando que pode ser empregado em viagens menores para, por
exemplo, entregas intermunicipais.
As potências médias de todos os casos calculados são relativamente altas, sendo
imprudente especificar inicialmente um gerador para atingir tal nível, pois essa escolha acarretaria
em altos custos do sistema com um motor de alta potência e um sistema de gerenciamento
49
adequado para a alta demanda. Ademais, os torques de pico de frenagem são bastante elevados,
restando claro que o motor/gerador elétrico não será suficiente para atender aos requisitos de
frenagem do veículo, logo, os freios mecânicos serão necessários. Há, então, uma liberdade para
a escolha dos motores/geradores e quanto maior for a sua capacidade, maior será a recuperação
de energia cinética.
Após pesquisas na internet de equipamentos similares ao proposto pelo trabalho, como é
o caso da Hyliion, Odyne e XL. Uma opção adequada de máquina elétrica para os modelos seria
o motor HSM1 da BRUSA Elektronik AG. A versão HSM1 10.18.04 oferece uma alta relação
potência e torque por peso, dimensões compactas, controle de torque por PWM e ainda pode ser
usado como motor e gerador elétrico. Essa versão possui as suas características apresentadas
na Tabela 4.4. Mais informações estão na ficha técnica do motor no ANEXO B.
Figura 4.1 - HSM1 10.18.04
Fonte: Brusa Elektronik.
Tabela 4.4 - Características HSM1 10.18.04
Velocidade Nominal 4600 rpm
Velocidade Máxima 13000 rpm
Torque Contínuo 52 Nm
Torque Máximo 98 Nm
Potência Contínua 28 kW
Potência Máxima 51 kW
50
Com esse motor os modelos dois e três, por serem do layout dois, tem 51 kW de potência
para frenagens e 28 kW para aceleração, visto que geralmente, o tempo de frenagem é curto e o
tempo de aceleração é longo. Já o modelo 1 tem disponível o dobro desses valores, pois no
layout um são empregados dois motores. Lembrando que para esse caso onde o semi-reboque
muitas vezes possui mais de um eixo, é possível instalar mais um ou dois sistemas híbridos,
dependendo se o semirreboque tem dois ou três eixos, elevando a capacidade para próximos
dos 300 kW de potência de frenagem e 170 kW em aceleração contínua.
Nos três casos os motores serão acoplados a caixas de engrenagem e para calcular o valor
da redução considera-se a velocidade máxima que os veículos atingem nos ciclos, a rotação
nominal do motor, o valor que determina a faixa onde o torque é máximo e a redução do
diferencial nos modelos dois e três. Desta forma, associando a velocidade máxima à rotação
máxima e comparando-a à rotação nominal do motor, conclui-se que a redução pode ser
calculada por regra de três simples. No caso dois e três o valor encontrado refere-se à redução
total, que deve ser dividida pela redução do diferencial para encontrar a redução do motor elétrico.
Os valores de redução do diferencial são retirados dos folhetos técnicos dos caminhões de
referência.
Tabela 4.5 - Relação de Reduções
Redução Diferencial Motor Elétrico
Modelo 1 - 9,5
Modelo 2 3,42 2,78
Modelo 3 4,78 1,40
Ante o exposto, é possível simular a utilização do freio regenerativo nas condições
impostas pelos ciclos de direção e com isso, estimar qual a capacidade de recuperação de
energia dos modelos propostos pelo trabalho.
4.2 Modelo em CAD
Para melhor visualização de como seria montado os sistemas nos caminhões, um desenho
computadorizado foi preparado para cada modelo. Vale ressaltar que apenas a montagem
mecânica do motor/gerador foi efetuada, visto que os equipamentos auxiliares, como baterias e
51
o controlador, podem ser alocados em diferentes posições dependendo do veículo em que será
feita a instalação. Além disso, as representações em CAD são básicas, exclusivamente com o
intuito de representar os modelos, já que para desenvolver um modelo virtual completo diversas
outras soluções técnicas devem ser estudadas e realizadas.
4.2.1 Modelo 1
Figura 4.2 - Vista Isométrica Modelo 1
Figura 4.3 - Vista Superior Modelo 1
52
Figura 4.4 - Vista Explodida Modelo 1
A montagem mecânica em CAD para o modelo 1 segue o conceito do sistema AVE 130,
visto na figura Figura 3.1. Aqui o motor e redutor planetário são fixos rigidamente ao eixo base
(em cinza) e a estrutura da suspensão é fixa no corpo do motor elétrico.
O redutor planetário é acoplado ao motor elétrico através de um eixo e a saída reduzida
é acoplada ao conjunto do freio e roda através de flanges. Esse conjunto é suportado por
rolamentos instalados no cubo de roda.
53
4.2.2 Modelo 2
Figura 4.5 - Vista Isométrica Modelo 2
Figura 4.6 - Vista Lateral Modelo 2
54
Figura 4.7 - Vista Superior Modelo 2
Figura 4.8 - Vista Explodida Modelo 2
55
A montagem mecânica do modelo 2 é bem mais simples. Nela, há uma caixa de redução
com engrenagens paralelas é acoplada ao motor. Esse conjunto é fixo por parafusos à estrutura
de fixação e ela é fixa ao chassi através de uma travessa. Nesse caso, a estrutura é particular
para cada modelo. Para o acoplamento mecânico com o sistema de tração do caminhão são
utilizados dois eixos cardãs, um para ligar o MCI ao conjunto híbrido e outro para liga-los ao
diferencial e às rodas. Ressalta-se que o acoplamento mecânico do MCI com o diferencial
normalmente é feito com um eixo cardã.
4.3 Simulação
Com as características restantes definidas no subcapítulo anterior e implementadas no
programa de cálculos, o objetivo final do trabalho é alcançado, calcular a quantidade de energia
recuperada por um sistema elétrico de frenagem. Os dados obtidos anteriormente continuam
válidos e não serão reapresentados para não alongar o trabalho.
4.3.1 Resultados e Discussão
Os modelos não foram simulados em todos os ciclos de direção, os resultados
apresentados estão de acordo com as situações determinadas no capítulo anterior. A energia
recuperada de cada modelo em cada ciclo é apresentada na Tabela 4.6.
Tabela 4.6 - Energia Recuperada em Frenagens
Energia Recuperada HHDDT HWYCOL LA92 WHVC
Modelo 1 2,33 kWh 1,91 kWh - -
Modelo 2 0,58 kWh 0,64 kWh 1,90 kWh 1,64 kWh
Modelo 3 - 0,62 kWh 1,90 kWh 1,62 kWh
Para visualizar melhor a comportamento do freio regenerativo os gráficos contendo o torque
de frenagem total e regenerativo foram criados para todos os ciclos e estão em ANEXO C e a
Figura 4.9 mostra um exemplo. Através deles percebe-se que o freio regenerativo é responsável
por apenas uma parte da frenagem total do veículo, especialmente, nos ciclos de maior
56
intensidade cinética. As tabelas abaixo relacionam a energia regenerada com a energia
dispensada pela frenagem e com a energia total empregada nos ciclos pelos modelos.
Tabela 4.7 - Relações Energias de Frenagens Modelo 1
Modelo 1 HHDDT HWYCOL
Energia Recuperada 2,33 kWh 1,91 kWh
Energia Frenagem Total 7,5 kWh 10,2 kWh
Relação 31,1% 18,7%
Energia Trativa Total 69,1 kWh 35,1 kWh
Relação 3,4% 5,4%
Energia por Quilometro Rodado 6,35e-2 kWh/km 12,4e-2 kWh/km
Tabela 4.8 - Relações Energias de Frenagens Modelo 2
Modelo 2 HHDDT HWYCOL LA92 WHVC
Energia Recuperada 0,58 kWh 0,64 kWh 1,90 kWh 1,64 kWh
Energia Frenagem Total 2,2 kWh 3,5 kWh 16,2 kWh 9,4 kWh
Relação 26,4% 18,3% 11,7% 17,4%
Energia Trativa Total 42,2 kWh 19,7 kWh 26,7 kWh 22,8 kWh
Relação 1,4% 3,3% 7,1% 7,2%
Energia por Quilometro
Rodado
1,58e-2
kWh/km
4,16e-2
kWh/km
6,05e-2
kWh/km
4,51e-2
kWh/km
Tabela 4.9 - Relações Energias de Frenagens Modelo 3
Modelo 3 HWYCOL LA92 WHVC
Energia Recuperada 0,62 kWh 1,90 kWh 1,62 kWh
Energia Frenagem Total 3,0 kWh 14,0 kWh 8,2 kWh
Relação 20,1% 13,6% 19,8%
Energia Trativa Total 16,8 kWh 22,5 kWh 19,0 kWh
57
Modelo 3 HWYCOL LA92 WHVC
Relação 3,7% 8,4% 8,5%
Energia por Quilometro Rodado 4,02e-2 kWh/km 1,9e-2 kWh/km 4,45e-2 kWh/km
Através das tabelas, é possível analisar que a recuperação em relação à energia dispendida
em frenagem é maior em ciclos rodoviários se comparada com os ciclos urbanos, devido aos
menores torques médios de frenagem. Porém, comparando a energia regenerada com a energia
total para tração os ciclos urbanos, obtêm-se melhor desempenho. isso se deve ao fato dos
veículos em ciclos rodoviários despenderem mais energia vencendo as resistências do que em
frenagens.
Figura 4.9 - Torque de Frenagem e Regenerativo
Um dado importante é a quantidade de energia recuperada por quilometro rodado em cada
ciclo, pois assim é viável estender os valores para trajetos maiores e realizar comparações. Os
valores para cada caso e cada ciclo são apresentados nas tabelas 4.7, 4.8 e 4.9.
58
Com o intuído de entender como é o comportamento de rodagem de cada tipo de caminhão
estudado, uma concessionária de caminhões foi contatada. O departamento de manutenção
informou os valores de rodagem médios de cada tipo de caminhão e esses dados também estão
compilados nas tabelas acima.
Utilizando os valores apresentados, é factível aproximar um valor de recuperação média de
cada caminhão em uma situação de rodagem real num determinado período de tempo. Isso
possibilita avaliar se o sistema é viável financeiramente ou não. Os dados obtidos são
apresentados nas mesmas tabelas acima. A energia recuperada deve trazer um retorno
financeiro para a frota de veículos de carga que utiliza o sistema, de forma a cobrir os seus custos
de aquisição e manutenção, sendo que há algumas maneiras de aplicar essa energia para obter
o retorno financeiro.
A primeira forma bastante utilizada pelas soluções encontradas no mercado é desacoplar
os componentes auxiliares do MCI, como o compressor de ar, reduzindo sua carga e
consequentemente aumentado a eficiência do conjunto. Outro método também muito utilizado é
utilizar a carga de energia para auxiliar o MCI a tracionar o veículo e desta maneira reduzir o
consumo de óleo diesel. Outra forma de utilizar a energia elétrica para reduzir os custos é utilizar
a energia na empresa ou devolver a energia gerada pelo sistema híbrido a concessionária que
distribui e administra a rede de energia elétrica, através dos créditos de compensação (ANEEL,
2016).
Hoje, algumas empresas estão instalando painéis de geração fotovoltaicos, que utilizam
os raios solares para gerar energia elétrica. O sistema proposto no trabalho poderia prover a
energia acumuladas nas baterias para a rede elétrica através de um sistema fotovoltaicos já
instalados nas empresas.
59
Figura 4.10 - Esquemático Sistema de Compensação de Energia Elétrica.
Fonte: PHB Solar. Adaptado.
Tabela 4.10 - Energia Recuperada Mensal
Modelo Média kWh/km
Ciclos
Média Rodada
Mês kWh/mês
Modelo 1 9,38e-2 kWh/km 14000 km 1313,2 kWh
Modelo 2 4,10e-2 kWh/km 12000 km 492 kWh
Modelo 3 4,84e-2 kWh/km 5000 km 242 kWh
4.3.2 Estimativa de Retorno
Nessa seção é estimado o possível retorno do sistema híbrido de duas maneiras: a primeira
é considerando que a energia elétrica das baterias seja utilizada pela empresa para reduzir o seu
consumo, ou até devolver a rede de energia elétrica. O segundo método estimará o consumo de
60
óleo diesel e quanto pode ser economizado se toda a energia fosse empregada para ajudar o
MCI a tracionar o veículo.
No primeiro método será considerado que a empresa já possua um sistema de captura de
energia solar e não seja necessário realizar nenhuma adaptação ou compra de novo
equipamento. Portanto, toda a energia gerada pelo caminhão poderá ser utilizada para reduzir o
custo da conta de energia. O custo do kWh é de R$0,70 por kWh consumido, uma média do
estado de Minas Gerais.
Para o cálculo do segundo caso, será considerado o consumo de combustível informado
pela concessionária de caminhões consultada - já que os fabricantes não informam o consumo
para veículos de carga - sendo que os dados são para os veículos de referência. Portanto, toda
a energia gasta no ciclo representa todo o consumo médio de diesel durante a distância
percorrida, então é possível estimar por relação linear a economia de óleo diesel pelo sistema de
recuperação relacionando o consumo total com a quantidade recuperada.
Os valores obtidos são apresentados na Tabela 4.11. Vale ressaltar que só foi possível
obter uma estimativa de consumo do Modelo 1, por se tratar de um veículo puramente rodoviário,
como os outros modelos tem ciclo de rodagem misto o consumo varia bastante e assim a
concessionária não conseguiu estimar com certeza os valores de consumo.
Com a estimativa de retorno calculada, é necessário estimar o custo do sistema para aferir
se, de fato, é economicamente viável a construção de um sistema como esse para a recuperação
da energia dispendida em frenagem.
Tabela 4.11 - Retorno Estimado
Modelo kWh/mês Retorno
Método 1
Consumo
por km
Consumo
por mês
Diesel
Recuperado
Retorno
Método 2
Modelo 1 1313,2
kWh R$ 919,24 2km/l 7.000L 308L
R$
1.155,00
Modelo 2 492 kWh R$ 344,40 - - - -
Modelo 3 242 kWh R$ 170,00 - - - -
*Considerando Óleo Diesel a R$3,75. Data: 01/06/2018.
61
4.3.3 Estimativa de Custo
O primeiro passo foi entrar em contanto com a fabricante das máquinas elétricas. A Brusa
Elektronik informou o custo do motor e do inversor, sendo, respectivamente, 8438 euros e 7261
euros. A bateria considerada para os modelos é um conjunto de células cilíndricas que possuem
uma capacidade de 50 kWh, sendo que são 3360 células ao custo de U$3,20 cada, totalizando
U$10750. Esses serão os únicos custos considerados devido à dificuldade de estimar os outros
custos de produção do equipamento, além de possível fuga do escopo do trabalho.
Portanto, o custo total considerando apenas os equipamentos elétricos do modelo 1 é de
R$182.000,00 e do modelo 2 e três é de R$111.000,00, considerando a cotação do euro em
R$4,50 e o dólar em R$3,76 (Cotação do dia 08/06/2018) e que o modelo 1 possui dois motores
e dois inverters. O valor real de comercialização do equipamento deve levar em conta o custo
para fabricação e montagem mecânica, de aquisição e montagem de outros componentes
elétricos e de controle, o custo de pesquisa e desenvolvimento do sistema híbrido, além dos
impostos, do valor investido na montagem de uma indústria de produção e de outros inúmeros
custos inerentes a uma empresa de fabricação de sistemas mecânicos.
Considerando a estimativa de retorno de cada modelo em uma base anual, o retorno do
sistema é de 6,1% ao ano para o modelo 1 em energia elétrica e 7,6% para o óleo diesel. Para o
modelo 2 o retorno é de 3,6% ao ano para o modelo 2 e de 1,8% para o modelo 3. Os dados
foram compilados e apresentados na Tabela 4.12, sendo que o retorno do capital investido em
anos também é apresentado nela.
Tabela 4.12 - Retorno Estimado dos Sistemas
Modelo Retorno Anualizado Retorno em Anos
Modelo 1 – Energia Elétrica 6,1% 16,5 anos
Modelo 1 – Óleo Diesel 7,6% 13,1 anos
Modelo 2 – Energia Elétrica 3,6% 26,9 anos
Modelo 3 – Energia Elétrica 1,8% 54,4 anos
Percebe-se, diante dos dados apresentados, que a rentabilidade ou retorno sobre o
investimento é baixa e não é atrativa para o empresariado brasileiro nos casos dos modelos 2 e
3, visto que a taxa básica de juros – SELIC –, na data desse trabalho, é de 6,25% ao ano. Isso
quer dizer que é mais vantajoso alocar o capital em um investimento de Renda Fixa que seja
indexado à taxa SELIC, como o título público Tesouro Selic, do que investir no sistema híbrido
62
proposto para uma frota de caminhões dos modelos citados. Já no caso do modelo 1, por se
tratar de caminhões com alta rodagem pode ser que haja uma vantagem na instalação do
sistema, porém, para haver a constatação é necessário aprofundar os estudos e desenvolver
melhor o sistema e realizar um should cost apropriado.
63
CAPÍTULO V
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O estudo apresentado nesse trabalho evidencia que o sistema híbrido ainda é uma
tecnologia de alto custo e com baixo potencial de retorno financeiro, com ressalva aos casos de
caminhões rodoviários com alta rodagem mensal. O baixo retorno é devido ao alto custo de
aquisição dos equipamentos, como demonstrado no capítulo supra.
A primeira medida para aumentar o retorno e a viabilidade do projeto seria desenvolver
parceiros nacionais que dominem a tecnologia de motores e inversores elétricos, como por
exemplo a WEG. Outros equipamentos que necessitam de um fornecedor desenvolvido são as
baterias. Neste caso, a parceria deveria ser fechada com uma empresa Chinesa, visto que o país
é, hoje, um dos maiores polos de fabricação de células fotovoltaicas. Ressalta-se que inúmeros
outros custos não foram considerados para a elaboração dessa monografia.
O desenvolvimento de parceiros comerciais teria um grande impacto na viabilidade do
projeto, uma vez que os custos apresentados no trabalho são altos devido ao preço de baixa
escala.
Não obstante, mesmo com esses adventos, os sistemas híbridos possuem um grande
potencial no mercado brasileiro. Novas tecnologias irão surgir e na perspectiva do tempo, haverá
uma redução do custo da tecnologia viabilizando a instalação em grande parte da frota de
veículos rodoviários do país, consolidando a tecnologia e aumentando sua eficiência energética.
64
5.1 Trabalhos Futuros
• Obtenção de ciclos de direção mais condizentes com a realidade brasileira que contemple
as elevações do percurso;
• Analisar e modelar o caso de um ônibus urbano;
• Modelar o uso da energia recuperada e acumulada durante a aceleração do caminhão;
• Projeto mecânico do sistema;
• Modelagem dos custos de fabricação e distribuição do sistema (Should Cost);
• Modelagem da dinâmica do caminhão e carreta para avaliar o desempenho com o novo
sistema;
• Projeto do sistema elétrico e de controle;
• Estudo de outros sistemas de armazenamento de energia, como os
hidráulicos/pneumáticos;
• Estudo de fornecedores de equipamentos nacionais.
65
6 BIBLIOGRAFIA
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Brasília: Agência Nacional de Energia Elétrica, 2016. 31 p. Acesso em: 20mai. 2018
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Pesquisa Energética, 2017. 292 p. Disponível em:
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FRANÇOSO, José Henrique Ricardo. Análise de Modelos de Rendimento de Engrenagens e
Aplicação em Câmbios Manuais. 2009, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009.
66
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Engineer, 1992. 519 p.
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Disponível em: <https://revistaautoesporte.globo.com/Noticias/noticia/2017/07/volvo-lancara-
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Prohaska, et al. Medium-Duty Plug-In Electric Delivery Truck Fleet Evaluation. In: IEEE
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67
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<https://www.volvogroup.com/en-en/news/2017/feb/news-2476234.html>. Acesso em: 22 jun.
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WANG, F; ZHUO, B. Regenerative braking strategy for hybrid electric vehicles based on
regenerative torque optimization control. Proceedings Of The Institution Of Mechanical
Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, [s.l.], v. 222, n. 4, p.499-513, abr. 2008.
SAGE Publications. http://dx.doi.org/10.1243/09544070jauto654.
68
A. ANEXO A
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%% SIMULAÇÃO %%% %%% ANALISE DE SISTEMA HÍBRIDO %%% %%% PARA VEÍCULOS DE CARGA %%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%% INTRUÇÕES %%% No MATLAB selecionar a pasta onde o código está. Caso o arquivo dos %%% drive cycles não estejam na mesma pasta, também selecionar as %%% sub-pastas onde eles se encontram. %% clear all;close all; clc; %% PARAMETROS %%% ESCOLHER QUAL MODELO ANALISAR %%% %%% Deixar apenas os parametros de 1 modelo "descomentado" por vez %%% %%% Parametros MODELO 1 Mcarreta=25.5*1000; Mcavalo=23*1000; Mv=Mcarreta+Mcavalo; %[Mv] massa do veículo rd= 1050/2000; %[m] raio da roda L= 41*12*0.0254+5; %[m]distancia entre eixos Wr_est= Mcarreta*10; %[N] carga estatica considerada p/ eixo traseiro Wf_est=Mcavalo*10; %[N] carga estatica considerada p/ eixo dianteiro hg = 2; %[m] altura centro de massa Tor_mot=-98*2*9.5; %[Nm] Torque do motor/gerador %%% Parametros MODELO 2 % Mv = 17100; %[Mv] massa do veículo % rd= 1050/2000; %[m] raio da roda % L= 4.800; %[m]distancia entre eixos % Wr_est= 100000; %[N] carga estatica eixo traseiro % Wf_est=60000; %[N] carga estatica eixo dianteiro % hg = 1.75; %[m] altura centro de massa % Tor_mot=-98*3.42*2.78; %[Nm] Torque do motor/gerador %%%Parametros MODELO 3 % Mv = 8800; %[Mv] massa do veículo % rd=744/2000; %[m] raio da roda % L= 4.000; %[m] distancia entre eixos % Wr_est= 85000; %[N] carga estatica eixo traseiro % Wf_est=32000; %[N] carga estatica eixo dianteiro % hg = 1.50; %[m] altura centro de massa % Tor_mot=-98*4.78*1.40; %[Nm] Torque do motor/gerador %%% Outros parametros g=9.81; mf=1+(11.6*22+1.3*10.96^2*2.7^2)/(Mv*rd^2); %mass factor
69
%%% Inclinação alfa=0; gi=sind(alfa); %grade inclination %% Leitura Drive Cycles formatSpec = '%f;%f'; sizeA = [2 Inf]; fileID = fopen('CARB HHDDT - Cruise Segment.txt','r'); HHDDT=fscanf(fileID,formatSpec,sizeA); HHDDT=HHDDT'; aux(1)=length(HHDDT); clear fileID fileID = fopen('HWYCOL - Highwayfueleconomytest.txt','r'); HWYCOL=fscanf(fileID,formatSpec,sizeA); HWYCOL=HWYCOL'; aux(2)=length(HWYCOL); clear fileID fileID = fopen('LA92 - mph - Californiadrivecycle.txt','r'); LA92=fscanf(fileID,formatSpec,sizeA); LA92=LA92'; aux(3)=length(LA92); clear fileID load WHVC_incl_roadgradients.mat aux(4)=length(WHVC_incl_roadgradients); t=zeros(max(aux),length(aux)); V=zeros(max(aux),length(aux)); gi=zeros(max(aux),length(aux)); t(1:aux(1),1)=HHDDT(:,1); V(1:aux(1),1)=HHDDT(:,2).*1.6; t(1:aux(2),2)=HWYCOL(:,1); V(1:aux(2),2)=HWYCOL(:,2).*1.6; t(1:aux(3),3)=LA92(:,1); V(1:aux(3),3)=LA92(:,2).*1.6; t(1:aux(4),4)=WHVC_incl_roadgradients(:,1); V(1:aux(4),4)=WHVC_incl_roadgradients(:,2); gi(1:aux(4),4)=WHVC_incl_roadgradients(:,3)/100; Vmet=V./3.6; % velocidade em m/s %% Aceleração
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a=diff(Vmet)./diff(t); a(length(a)+1,:)=0; a(isnan(a)) = [0]; %% EQUAÇÕES %%% Inclinação alfa=atan(gi); %%% Resistência ao movimento (rolagem + rampa) fr=0.65/100; Fr=Mv*g*fr*cos(alfa); %Força devido a rolagem dos pneus Fg=Mv*g.*gi; %Força devido a inclinação Frd=Fr+Fg; %%% Resistência aerodinâmica Cd=0.8; Af=10.4; rho=1.2; Fa=0.5*rho*Af*Cd*Vmet.^2; %%% Força Resistiva Total Frest=Fa+Frd; Frest(Vmet==0)=0; %%% Forças Trativa Ftrat=a*(mf*Mv)+Frest; %força empregada na aceleração + força resistiva = força trativa motor %%% Potência Forças Trativas e Resistivas Ptrat=Ftrat.*Vmet; Prest=Frest.*Vmet; %%% Velocidade Méddia V1=V(1:(aux(1)-115),1); V2=V(1:(aux(2)-2),2); V3=V(1:(aux(3)-9),3); V4=V(1:(aux(4)-4),4); Vm=[mean(V1) mean(V2) mean(V3) mean(V4)]; %%% Torque Médio Ttrat=Ftrat*rd; Tfren=Ttrat; Tfren(Ftrat>=0)=0; Tfrenm1=Tfren(1:aux(1),1); Tfrenm1(Tfrenm1==0)=[];
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Tfrenm2=Tfren(1:aux(2),2); Tfrenm2(Tfrenm2==0)=[]; Tfrenm3=Tfren(1:aux(3),3); Tfrenm3(Tfrenm3==0)=[]; Tfrenm4=Tfren(1:aux(4),4); Tfrenm4(Tfrenm4==0)=[]; Tfrenm=[mean(Tfrenm1) mean(Tfrenm2) mean(Tfrenm3) mean(Tfrenm4)]; %%% Rotação Média omega=Vmet/rd; RPM=omega*60/(2*pi); RPMm1=RPM(1:aux(1),1); RPMm1(RPMm1==0)=[]; RPMm2=RPM(1:aux(2),2); RPMm2(RPMm2==0)=[]; RPMm3=RPM(1:aux(3),3); RPMm3(RPMm3==0)=[]; RPMm4=RPM(1:aux(4),4); RPMm4(RPMm4==0)=[]; RPMm=[mean(RPMm1) mean(RPMm2) mean(RPMm3) mean(RPMm4)]; %% Dinâmica (Estimativa força de frenagem máxima) Wf=Wf_est-hg/L*Ftrat; Wr=Wr_est-hg/L*Ftrat; Ffren=Wr*0.85*rd; Ffren_max=max(Wr)*0.85*rd; %coeficiente de atrito 0.85 Ffren_mean1=mean(Wr(1:aux(1),1))*0.85*rd; Ffren_mean2=mean(Wr(1:aux(2),2))*0.85*rd; Ffren_mean3=mean(Wr(1:aux(3),3))*0.85*rd; Ffren_mean4=mean(Wr(1:aux(4),4))*0.85*rd; Ffren_mean=[Ffren_mean1 Ffren_mean2 Ffren_mean3 Ffren_mean4]; %% Distancia Percorrida D1=trapz(t(1:aux(1),1),Vmet(1:aux(1),1))/1000; D2=trapz(t(1:aux(2),1),Vmet(1:aux(2),1))/1000;
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D3=trapz(t(1:aux(3),1),Vmet(1:aux(3),1))/1000; D4=trapz(t(1:aux(4),1),Vmet(1:aux(4),1))/1000; D= [D1 D2 D3 D4]; %% Potencias %%% Potência média de cada ciclo Ptratm1=Ptrat(1:aux(1),1); Ptratm1(Ptratm1==0)=[]; Ptratm2=Ptrat(1:aux(2),2); Ptratm2(Ptratm2==0)=[]; Ptratm3=Ptrat(1:aux(3),3); Ptratm3(Ptratm3==0)=[]; Ptratm4=Ptrat(1:aux(4),4); Ptratm4(Ptratm4==0)=[]; Ptratm=[mean(Ptratm1) mean(Ptratm2) mean(Ptratm3) mean(Ptratm4)]/1000; %kW %%% Potência em frenagem de cada ciclo Pacel=Ptrat; Pacel(Ftrat<0)=0; Pfren=Ptrat; Pfren(Ftrat>0)=0; Pfrenm1=Pfren(1:aux(1),1); Pfrenm1(Pfrenm1==0)=[]; Pfrenm2=Pfren(1:aux(2),2); Pfrenm2(Pfrenm2==0)=[]; Pfrenm3=Pfren(1:aux(3),3); Pfrenm3(Pfrenm3==0)=[]; Pfrenm4=Pfren(1:aux(4),4); Pfrenm4(Pfrenm4==0)=[]; Pfrenm=[mean(Pfrenm1) mean(Pfrenm2) mean(Pfrenm3) mean(Pfrenm4)]/1000; %kW %% Energias %%% Energia Trativa [kWh] Etrat1=trapz(t(1:aux(1),1),Ptrat(1:aux(1),1))/(1000*60*60); Etrat2=trapz(t(1:aux(2),2),Ptrat(1:aux(2),2))/(1000*60*60); Etrat3=trapz(t(1:aux(3),3),Ptrat(1:aux(3),3))/(1000*60*60); Etrat4=trapz(t(1:aux(4),4),Ptrat(1:aux(4),4))/(1000*60*60); %%% Energia Total em Frenagem [kWh]
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Efren1=trapz(t(1:aux(1),1),Pfren(1:aux(1),1))/(1000*60*60); Efren2=trapz(t(1:aux(2),2),Pfren(1:aux(2),2))/(1000*60*60); Efren3=trapz(t(1:aux(3),3),Pfren(1:aux(3),3))/(1000*60*60); Efren4=trapz(t(1:aux(4),4),Pfren(1:aux(4),4))/(1000*60*60); Efren=[Efren1 Efren2 Efren3 Efren4]; %%% Energia Total em Aceleração [kWh] Eacel1=trapz(t(1:aux(1),1),Pacel(1:aux(1),1))/(1000*60*60); Eacel2=trapz(t(1:aux(2),2),Pacel(1:aux(2),2))/(1000*60*60); Eacel3=trapz(t(1:aux(3),3),Pacel(1:aux(3),3))/(1000*60*60); Eacel4=trapz(t(1:aux(4),4),Pacel(1:aux(4),4))/(1000*60*60); Eacel=[Eacel1 Eacel2 Eacel3 Eacel4]; %%% Energita Total Forças Resistivas [kWh] Erest1=trapz(t(1:aux(1),1),Prest(1:aux(1),1))/(1000*60*60); Erest2=trapz(t(1:aux(2),2),Prest(1:aux(2),2))/(1000*60*60); Erest3=trapz(t(1:aux(3),3),Prest(1:aux(3),3))/(1000*60*60); Erest4=trapz(t(1:aux(4),4),Prest(1:aux(4),4))/(1000*60*60); Erest=[Erest1 Erest2 Erest3 Erest4]; %%% Relação de Energia frenagem por energia aceleração Erela=[Efren1/Eacel1 Efren2/Eacel2 Efren3/Eacel3 Efren4/Eacel4]; %% Analise da energia recuperada motor Eff=0.95*0.92*0.95*0.98; %%%Potencia Motor Elétrico Pot_mot=-50000; Tacul=Ttrat; Tacul(Ttrat>0)=0; Tacul(Tacul<Tor_mot)=Tor_mot; Pacul=Tacul.*omega; Eacul1=trapz(t(1:aux(1),1),Pacul(1:aux(1),1))/(1000*60*60); Eacul2=trapz(t(1:aux(2),2),Pacul(1:aux(2),2))/(1000*60*60); Eacul3=trapz(t(1:aux(3),3),Pacul(1:aux(3),3))/(1000*60*60); Eacul4=trapz(t(1:aux(4),4),Pacul(1:aux(4),4))/(1000*60*60); Eacul=[Eacul1 Eacul2 Eacul3 Eacul4]*Eff; figure1=figure; suptitle('HHDDT'); plot(t(1:aux(1),1),Tfren(1:aux(1),1)); hold on; plot(t(:,1),Tacul(:,1),'r');
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xlabel('T(s)') ylabel('Torque(Nm)') title('Torque x Tempo') % saveas(figure1,'Torque HHDDT - 3.jpg') figure2=figure; suptitle('HWYCOL'); plot(t(:,2),Tfren(:,2)); hold on; plot(t(:,2),Tacul(:,2),'r'); xlabel('T(s)') ylabel('Torque(Nm)') title('Torque x Tempo') % saveas(figure2,'Torque HWYCOL - 3.jpg') figure3=figure; suptitle('LA92'); plot(t(:,3),Tfren(:,3)); hold on; plot(t(:,3),Tacul(:,3),'r'); xlabel('T(s)') ylabel('Torque(Nm)') title('Torque x Tempo') % saveas(figure3,'Torque LA92 - 3.jpg') figure4=figure; suptitle('WHVC'); plot(t(:,4),Tfren(:,4)); hold on; plot(t(:,4),Tacul(:,4),'r'); xlabel('T(s)') ylabel('Torque(Nm)') title('Torque x Tempo') % saveas(figure4,'Torque WHVC - 3.jpg') %% Gráficos %%% Drive Cycles figure; suptitle('Velocidade x Tempo'); subplot(2,2,1); plot(t(:,1),V(:,1)); xlabel('T(s)') ylabel('V(km/h)') title('HHDDT') axis([1 2100 1 120]); subplot(2,2,2); plot(t(:,2),V(:,2)); xlabel('T(s)') ylabel('V(km/h)') title('HWYCOL') axis([1 800 1 120]); subplot(2,2,3);
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plot(t(:,3),V(:,3)); xlabel('T(s)') ylabel('V(km/h)') title('LA92') axis([1 1500 1 120]); subplot(2,2,4); plot(t(:,4),V(:,4)); xlabel('T(s)') ylabel('V(km/h)') title('WHVC') axis([1 2000 1 120]); %%% Aceleração %%% apos=a; aneg=a; apos(apos<0)=0; aneg(aneg>0)=0; figure; suptitle('Acel x Tempo'); subplot(2,2,1); plot(t(:,1),apos(:,1)); hold on; plot(t(:,1),aneg(:,1),'r'); xlabel('T(s)') ylabel('a(m/s2)') title('HHDDT') axis auto subplot(2,2,2); plot(t(:,2),apos(:,2)); hold on; plot(t(:,2),aneg(:,2),'r'); xlabel('T(s)') ylabel('a(m/s2)') title('HWYCOL') subplot(2,2,3); plot(t(:,3),apos(:,3)); hold on; plot(t(:,3),aneg(:,3),'r'); xlabel('T(s)') ylabel('a(m/s2)') title('LA92') subplot(2,2,4); plot(t(:,4),apos(:,4)); hold on; plot(t(:,4),aneg(:,4),'r'); xlabel('T(s)') ylabel('a(m/s2)') title('WHVC')
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%%Força Trativa %%% figure; suptitle('Força trativa x Tempo'); subplot(2,2,1); plot(t(:,1),Ftrat(:,1)); xlabel('T(s)') ylabel('F(N)') title('HHDDT') subplot(2,2,2); plot(t(:,2),Ftrat(:,2)); xlabel('T(s)') ylabel('F(N)') title('HWYCOL') subplot(2,2,3); plot(t(:,3),Ftrat(:,3)); xlabel('T(s)') ylabel('F(N)') title('LA92') subplot(2,2,4); plot(t(:,4),Ftrat(:,4)); xlabel('T(s)') ylabel('Ft(N)') title('WHVC') %%%Potência total %%% figure; suptitle('Potencia Total x Tempo'); subplot(2,2,1); plot(t(:,1),Ptrat(:,1)); xlabel('T(s)') ylabel('Pot(kW)') title('HHDDT') subplot(2,2,2); plot(t(:,2),Ptrat(:,2)); xlabel('T(s)') ylabel('Pot(kW)') title('HWYCOL') subplot(2,2,3); plot(t(:,3),Ptrat(:,3)); xlabel('T(s)') ylabel('Pot(kW)') title('LA92') subplot(2,2,4); plot(t(:,4),Ptrat(:,4)); xlabel('T(s)') ylabel('Pot(kW)') title('WHVC') %% Geração da Tabela de dados
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format short fprintf('Ciclo HHDDT HWYCOL LA92 WHVC\n\n') %11 espaços e 4 entre cada fprintf('Velocidade Máxima [km/h] ') disp(max(V)); fprintf('Velocidade Média [km/h] ') disp(Vm); fprintf('Distancia Percorrida [km] ') disp(D); fprintf('Energia Trativa Total [kWh] ') disp(Eacel); fprintf('Energia Gasta c Resistências [kWh] ') disp(Erest); fprintf('Energia Gasta com Frenagem [kWh] ') disp(-Efren); fprintf('Porcentagem Energia frenagem [%%] ') disp(-Erela*100); fprintf('Torque Frenagem Máximo') disp(-min(Ftrat)); fprintf('Torque Frenagem Médio') disp(-Tfrenm); % fprintf('Potência Frenagem Máximo ') % disp(-min(Pfren)); fprintf('Potência Frenagem Médio ') disp(-Pfrenm); fprintf('RPM Máximo ') disp(max(RPM)); fprintf('RPM Médio ') disp(RPMm); fprintf('\n\nEnergia Recuperada [kWh] ') disp(-Eacul);
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B. ANEXO B
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C. ANEXO C
Figura C.1 – Torques Modelo 1 HHDDT
Figura C.2 – Torques Modelo 1 HWYCOL
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Figura C.3 – Torques Modelo 2 HHDDT
Figura C.4 – Torques Modelo 2 HWYCOL
82
Figura C.5 – Torques Modelo 2 LA92
Figura C.6 – Torques Modelo 2 WHVC
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Figura C.7 – Torques Modelo 3 HWYCOL
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Figura C.8 – Torques Modelo 3 LA92
Figura C.9 – Torques Modelo 3 WHVC